Методы и техника исследований и измерений характеристик ТЭП, ЭГЭ, ЭГК на предреакторной и реакторной экспериментальных базах

1.

Обнинский институт атомной энергетики
национального исследовательского ядерного
университета «МИФИ»
Методы и техника исследований и
измерений характеристик ТЭП, ЭГЭ, ЭГК на
предреакторной и реакторной
экспериментальных базах
профессор В.И.Ярыгин

2. Основные направления исследований и испытаний ТЭП, ЭГЭ, ЭГК, ЯЭУ

Виды испытаний в обоснование проектных
характеристик
Предреакторные
В составе
петлевых
каналов
В реакторах
«нулевой»
мощности
(в критстендах)
Реакторные
Наземные
испытания
прототипа
Летноконструкторские
испытания
2

3. Предреакторные исследования и испытания

3

4.

Физическая предреакторная экспериментальная база
термоэмиссионных исследований и испытаний ГНЦ РФ-ФЭИ
Измерения в вакууме
(А, В, С, Д)
Измерения в рабочих условиях
КИТ
ЭОС/ИС/ФИС/послойный
анализ
элемент.
электрон.
состав
состояние
А
А
А
В
В
Е
СПТВР/КРП/ДМЭ
кристаллограф.
работа
ориентация
выхода монокристаллов
Лазерный и ядерный
микроанализ
профильный
кристаллич.
анализ
структура и
состава
дефектность
монокристаллов
В
работа выхода, элементный кристал в т.ч. распредесостав
лографич. ВАХ
ление
ориентация
С
С
С
Д
Д
ТЭП
Масс - спектрометрия
газов
парциальный состав остаточных газов
Cs
С
ИИК
ВАХ
работа выхода
PC
ТЭМ
распределение
работы выхода
Д
ТЕ
ТС
ТCs
d
4

5. Действующие основные стенды предреакторных исследований и испытаний термоэмиссионных систем экспериментальной базы ГНЦ РФ-ФЭИ

а
б
в
а – аналитическая установка «Поверхность» для исследования свойств электродов и
конструкционных материалов в модельных условиях;
б – электрофизическая установка для измерений характеристик лабораторного
термоэмиссионного преобразователя с плоской геометрией электродов (3 рабочих
места, ВАХ, базы данных);
в – электровакуумные стенды (2 рабочих места) для испытания термоэмиссионных ЭГЭ.
5

6.

Действующие основные стенды предреакторных
исследований и испытаний термоэмиссионных
систем экспериментальной базы ГНЦ РФ-ФЭИ
(продолжение)
Электрофизический стенд ресурсных испытаний
6

7.

Действующие основные стенды предреакторных
исследований и испытаний термоэмиссионных
систем экспериментальной базы ГНЦ РФ-ФЭИ
(продолжение)
Стенд УСУ-3 предназначен для использования современных методов
исследования и моделирования ресурсоограничивающих процессов на
поверхности конструкционных и электродных материалов в вакууме как
самостоятельно, так и в ходе НИОКР.
Основные характеристики:
Вакуум в аналитической камере, мм.рт.ст.
до 10-10
Мощность нагревателей, кВт
до 5
Температура материалов, К
до 2500
Методическое обеспечение: масс-спектрометрия
остаточных газов аналитической камеры; электронная
Оже - спектроскопия для определения элементного
состава поверхности материалов, спектроскопия
полного тока для определения кристаллографической
ориентации приповерхностных слоёв атомов
материала, контактная разность потенциалов для
определения работы выхода электронов с поверхности
материала.
7

8.

Действующие основные стенды предреакторных
исследований и испытаний термоэмиссионных
систем экспериментальной базы ГНЦ РФ-ФЭИ
(продолжение)
Стенд КИТ предназначен для использования современных методов исследования
и моделирования ресурсоограничивающих процессов, протекающих на поверхности
конструкционных и электродных материалов непосредственно при их контакте с
рабочей паргогазовой средой как самостоятельно, так и в ходе НИОКР.
Основные характеристики:
Вакуум в аналитической камере, мм.рт.ст.
до 10-10
Давление рабочей парогазовой среды в
имеющемся рабочем участке, атм
до 1
Мощность нагревателей, кВт
до 5
Температура материалов, К
до 2500
Методическое обеспечение: масс-спектрометрия
остаточных газов аналитической камеры; электронная
Оже - спектроскопия для определения элементного
состава поверхности материалов, электронная микроскопия для визуализации поверхности материалов,
спектроскопия полного тока для определения кристаллографической ориентации приповерхностных слоёв
атомов материала, контактная разность потенциалов для
определения работы выхода электронов с поверхности
материала.
8

9.

Действующие основные стенды предреакторных
исследований и испытаний термоэмиссионных
систем экспериментальной базы ГНЦ РФ-ФЭИ
(продолжение)
Стенд УМИ-ТЭП (3 рабочих места) предназначен для использования современных
методов исследования и испытания лабораторных термоэмиссионных
преобразователей (ТЭП) с плоскими электродами площадью 1,5 см2 при электронагреве, а также взаимодействия материалов электродов с парогазовой рабочей
средой межэлектродного зазора как самостоятельно, так и в ходе НИОКР.
Основные характеристики:
Вакуум в рабочей полости ТЭП, мм.рт.ст.
до 10-6
Мощность нагревателей, кВт
до 10
Температура электродов, К
до 2200
Методическое обеспечение: масс-спектрометрия
откачиваемых газов; оптическая спектроскопия излучения
межэлектродной среды и материалов электродов;
измерение полного тока термоэлектронной эмиссии
материалов электродов; информационно-измерительный
комплекс сбора и обработки информации, высокоточные
системы регулирования и поддержания температуры
материалов электродов.
9

10.

Действующие основные стенды предреакторных
исследований и испытаний термоэмиссионных
систем экспериментальной базы ГНЦ РФ-ФЭИ
(продолжение)
Стенд УСП (2 рабочих места) предназначен для использования современных методов
испытаний полномасштабных макетов термоэмиссионных и термоэлектрических
электрогенерирующих элементов, термоэмиссионных и термоэлектрических модулей
прямого преобразования с электронагревом как самостоятельно, так и в ходе
НИОКР.
Основные характеристики:
Вакуум, мм.рт.ст.
в рабочей полости ТЭП
в системе защитного вакуума
Мощность нагревателей, кВт
Температура электродов, К
до 10-6
до 10-5
до25
до 2200
Методическое обеспечение: масс-спектрометрия
откачиваемых газов; измерение полного тока
термоэлектронной эмиссии материалов электродов;
экспресс-система сбора и обработки информации
высокоточные системы регулирования и
поддержания температуры материалов электродов.
10

11.

Принципиальная схема базовых методов
измерений
ē
Анализатор вторичных
электронов N(E)
iP E P
Образец
iЕ
U
i
A
Регулир. источник
-U… +U
Кривая распределения по энергии
истинно вторичных электронов
11

12.

Конструктивные схемы используемых анализаторов
оже-электронов типа «цилиндрическое зеркало» и 4-х
сеточного КСА
V
3
2
5
I(V)
1
4
а)
в)
а): 1 - образец; 2 - электронная пушка; 3, 4 внешний и внутренний цилиндр анализатора; 5 коллектор оже - электронов.
б): 1 - анализирующий керамический блок; 2 - 6 коллекторно-сеточная анализирующая система; 79, 12, 20, 24 – МКУ - компоненты; 10-14, 16-23 элементы крепления, экраны и коммутирующие
выводы; 15 - электронная пушка.
в): внешний вид 4-х сеточного КСА.
б)
12

13.

Пример характерных
электронных оже-спектров
в)
Для определения
концентраций i-го элемента
í
в оже-спектре ( A i , ат.%)
используется формула:
A iр - регистрируемые амплитуды оже-линий;
0
Ai
Aið Ai0
í
Ai
, где A н
ð
0
i
Ak Ak
k
k
- амплитуды эталонных оже-линий;
- нормированные амплитуды оже-линий;
- суммирование по всем k-линиям оже-спектров.
13

14.

Измерение работы выхода образца
методом Андерсона
Блок-схема
измерения КРП
регистрацией КЗ
электронного тока на
образец с помощью
электронного пучка.
Вакуумная работа выхода
эталонных образцов:
- Мо (110), Ф0 = 5.0 0.02 эВ;
- W (110), Ф0 = 5.3 0.02 эВ;
- W (112), Ф0 = 4.8 0.05 эВ,
А0 = 120,4 А/(см2К2)
Принципиальная схема
селектора электронов.
1, 2 – внешний и
внутренний отклоняющие
электроды;
3, 4 – входные щели;
5, 6 – выходные щели;
К – катодный узел.
1 - КЗ эталона (110);
2 - КЗ эталона (112).
14

15.

Определение кристаллографической
ориентации поверхности образцов
Блок-схема измерений методами КРП и СПТВР
1 - источник питания
селектора электронов;
2 - генератор пилообразного
напряжения;
3 - генератор
синусоидального
напряжения;
4 - генератор пилообразного
напряжения выходного
электрода;
5 - усилитель - синхронный
детектор;
6 - термопара;
7 - источник питания
электронной
бомбардировки;
8 - самописец;
9 - электрометрический
усилитель.
1 - КЗ эталона (110);
2 - КЗ эталона (112);
3 - КЗ области ЭО с вольфрамовым
покрытием, ориентированной по (110)-грани;
4 - КЗ области ЭО с вольфрамовым
покрытием, ориентированной по (112)-грани.
15

16.

Принципиальные схемы
аналитических камер
ИЗМЕРЕНИЕ ЭЛЕМЕНТНОГО СОСТАВА, РАБОТЫ ВЫХОДА И КРИСТАЛЛОГРАФИЧЕСКОЙ
ОРИЕНТАЦИИ ОБРАЗЦОВ ЭЛЕКТРОДОВ ПЛОСКОЙ И ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ФОРМЫ
(а) и (б) в вакууме, (в) - анализ в ТЭП (КИТ)
1 - анализатор вторичных электронов (ЦЗ или КСА); 2 - электронная пушка; 3 - образец;
4 - датчик масс-спектрометра; 5 - система напуска эмиссионно-активных газов;
6 - источник цезия; 7 - манипулятор образцов (x, y, z, - координаты);
8 - рабочая полость ТЭП с образцами эмиттера и коллектора; 9 - резервуар с Сs;
10 - горячий вентиль; 11 - откачка/система напуска газов.
16

17.

Принципиальные схемы
аналитических камер (продолжение)
(а) – базовая аналитическая установка, (б) – ее поперечное сечение, (в) –
держатель образцов
1 - камера; 2 - манипулятор; 3 - анализатор (ЦЗ или КСА); 4 - сублимационный насос; 5 титановый испаритель; 6 - вентиль предварительной откачки; 7 - электроразрядный насос; 8 датчик вакуума; 9 - напуск газов; 10 – селектор электронов; 11 - датчик масс-спектрометра; 12 источник цезия; 13 - образец; 14 - нагреватель; 15 - термопара; 16 - рамка-держатель; 17 - тяга
привода качания образца; 18 - пружина возврата.
17

18.

Внешний вид установки анализа
образцов в составе ТЭП (КИТ)
а - аналитическая камера;
б - ТЭП в
разгерметизированном
состоянии (электроды
разведены);
в - подвижный электрод
(эмиттер или коллектор);
г - неподвижный электрод
(коллектор или эмиттер).
18

19.

Конструктивная схема
лабораторного ТЭП и установки
Регистрация изотермических и эквипотенциальных ВАХ, формирование базы данных о ВАХ,
измерение эмиссионно-адсорбционных характеристик электродов плоской геометрии
1, 5- охранная
изолирующая керамика;
2- нагреватель
электронной пушки; 3полость черного тела; 4эмиттер; 6- коллектор; 7нагреватель коллектора;
8- охлаждение
коллектора; 9- тяги
механизма перемещения;
10- смотровые окна;
11,14- горячие вентили;
12- загрузочный Csрезервуар; 13- Csтермостат; 15- вакуумноцезиевый тракт; 16геттер; 17- корпус ТЭП;
18- термопары; 19электронагреватели.
19

20.

Конструктивная схема лабораторного ТЭП и
установки (продолжение)
Регистрация ВАХ, формирование базы данных о ВАХ,
измерение эмиссионно-адсорбционных характеристик
электродов цилиндрической формы в составе ЭГЭ
1- эмиттерная оболочка;
2- коллектор;
3- термопары;
4- нагреватель эмиттера;
5- система нагрева/охлаждения коллектора;
6- система откачки;
7 10- прогреваемые вентили (Ду50-10);
11- Cs-термостат;
12- система дистилляции Cs;
13- датчик масс-спектрометра;
14,15- защитная вакуумная камера и система
ее откачки.
20

21.

Конструктивная схема лабораторного ТЭП и
установки (продолжение)
Регистрация
изомощностных ВАХ в
процессе ресурсных
испытаний ЭГЭ
21

22.

Алгоритмы оптимизации выходных
характеристик ТЭП
Регистрация ВАХ, формирование базы данных о ВАХ,
измерение эмиссионно-адсорбционных характеристик
электродов цилиндрической формы в составе ЭГЭ
а – ТЕ, ТС, d = const; TCs = var;
б – ТЕ, ТС, U, d = const; TCs = var;
в – ТЕ, ТС, d = const; RН = opt; TCs = var;
г – ТЕ, U, d = const; ТС и TCs = var.
22

23.

Методы определения внутренних
параметров ТЭП по ВАХ
Принципиальная форма ВАХ лабораторного ТЭП в дуговом режиме
х - напряжение холостого
хода;
s - ток насыщения
диффузионного режим;
f - напряжение поджига;
о - напряжение гашения;
с - минимальный барьерный
индекс VB;
w - плотность
электрического тока в точке
перегиба дуговой ВАХ
эмиттерной ветви;
b - плотность электрического
тока в точке перегиба
дуговой ВАХ коллекторной
ветви.
23

24.

Определение работы выхода эмиттера
в парах цезия ФЕ
Для определения работы выхода эмиттера в парах цезия ФЕ используется
значение плотности тока в точке перегиба дуговой ВАХ jw для текущих внешних
параметров ТЕ, ТС, ТСs (PCs) и d:
ФE Ф( jw )
PCs d
T TC
TE
ln E
,
10 TE TC
2TC
(1)
где Ф(jw) - работа выхода в эВ, определяемая плотностью тока jw:
kTE A0TE2
Ф( j w )
ln
,
e
jw
(2)
где k - постоянная Больцмана, е - заряд электрона, А0 =120.4 А см-2 К-2 - постоянная
Ричардсона.
Соотношение (1) получено по экспериментальным данным. С помощью этих же
данных получено отношение для потоков электронов в точке излома ВАХ:
jR
jw
1 1.7 PCs d ,
(3)
где jR - плотность тока электронной эмиссии с эмиттера. В рабочих режимах ТЭП
результаты расчетов jR и ФЕ по выражениям (1) и (3) соответствуют друг другу.
Полученные по (1) значения ФЕ приводятся в соответствие вакуумной работой выхода
эмиттера Ф0Е по соотношению ФЕ = (ТЕ/ТCs, Ф0Е), по кривым Рейзора.
24

25.

Определение эффективной работы
выхода коллектора ФС
Эмиссионный метод
1. ФСэмис – в квазивакуумном режиме (d < 0,05 мм) по
ричардсоновскому току насыщения с коллектора на «холодный»
эмиттер. Корректное измерение в режимах с VB ≥ 2 эВ.
2. ФСэмис – в режимах с VB < 2 эВ по точке перегиба «b» плотности
обратного тока (в коллекторной ветви):
jR*
jb
1 1.7 PCs d ,
где jR* - ричардсоновская плотность электронного тока с
коллектора.
25

26.

Определение эффективной работы
выхода коллектора ФС (продолжение)
Идентификационный метод
По выходному напряжению V в точке «с» на ВАХ с VBmin
V
где
j, TE
e
j , TE k TE ln A TE2
e
j
e2 0
ФC
e
Vd ,
(4)
- предельное (Больцмановское) напряжение
для заданных j и ТЕ; Vd - потери напряжения, связанные с затратами энергии на поддержание
дугового разряда; е - заряд электрона.
Vd = VC + VL,
где VC - потери напряжения из-за обратной эмиссии с коллектора, VL - остальные потери.
VC
kTC
jCR
ln 1
1 TE TC TC PCs d ,
e
j
где jCR – ток эмиссии электронов с коллектора.
Для оптимального значения (PCs d) ~ 0,5 мм.рт.ст. мм VL ≈ 0,48 В.
26

27.

Контроль температуры эмиттера
Независимый, дополнительный (кроме термопарного и
оптического канала измерений) контроль температуры эмиттера
может проводиться по результатам измерений тока насыщения jES в
недокомпенсированном режиме (точка «s» на ВАХ) с помощью
выражения
7
jES
22595
TE 4
,
PCs M
exp
d
TE
где М – эмпирический коэффициент учитывает вклад среднего по
МЭЗ коэффициента диффузии электронов по сравнению с
коэффициентом диффузии у эмиттера, а также уменьшение
равновесной концентрации электронов при измерении jES.
Обычно М был равен 0,3 0,4.
27

28.

Реакторные
испытания
ЭГК, ТРП
28

29.

ПЕТЛЕВЫЕ ИСПЫТАНИЯ ТЕРМОЭМИССИОННЫХ
ЭГК В РЕАКТОРЕ АМ
29

30. Реакторный зал Первой в мире АЭС (АМ)

б)
б – схема а.з. с ячейками для петлевых
каналов:
1 – петлевой канал с ЭГК.
а)
а – реактор АМ со снятой плитой радиационной защиты;
30

31. Реакторный зал Первой в мире АЭС (АМ) (продолжение)

31

32. Принципиальная схема петлевого канала и термоэмиссионного ЭГК в обоснование ЯЭУ «ТОПАЗ»

1 – эмиттер; 2 - коллектор; 3 – коллекторная изоляция;
4 – теплоноситель; 5 – охлаждающая вода;
6 – нагреватель; 7 – корпус ПК.
32

33. Развитие проектных решений по ПК с термоэмиссионными ЭГК в обоснование ЯЭУ «ТОПАЗ»

Конструкционная схема одного из последних вариантов ПК, испытанных в реакторе АМ
1 – многоштырьковый герморазъем; 2 – силовой токовый герморазъем; 3 – ампула с
жидким цезием; 4 – устройство для вскрытия ампулы с цезием; 5 – конденсатор пара
цезия; 6 – электронагреватель; 7 – термоэмиссионная ЭГС; 8 – СТС; 9 – токовывод;
10 – источник пара цезия циркуляционного типа; 11 – трубка возврата
сконденсировавшегося цезия; 12 – теплообменник в виде трубки Фильда.
33

34.

Схема реактора ИВВ-2М
Основные характеристики реактора
* - для центральной ячейки
1 – система управления и защиты;
2 – горизонтальный экспериментальный
канал;
3 – система контроля герметичности
оболочек;
4 – активная зона;
5 – облучательные устройства;
6 – теплообменник.
34

35.

Расчетная картограмма
активной зоны ИВВ-2М
3
Y
4
2
1
X
7
6
5
1 – блоки из нитрида алюминия, 2 – бериллиевые блоки, 3 – органы
регулирования, 4 – топливные кассеты, 5 – петлевой канал, 6 – кассеты
подсветки,7 – облучательные устройства
35

36.

Принципиальная
схема ПК
36

37. Действующий реакторный стенд ГНЦ РФ-ФЭИ для моделирования и исследования характеристик термоэмиссионных ЯЭУ 2-го поколения

Критический стенд
ФС-1М
Назначение стенда
– исследование нейтроннофизических характеристик термоэмиссионных
реакторов-преобразователей различного назначения и
других малогабаритных транспортных реакторов.
Решенные задачи – обоснованы нейтроннофизические характеристики и ядерная безопасность
проектов космических ЯЭУ с реакторами-преобразователями на быстрых нейтронах мощностью от 500 до
1500 кВтэл.
Основные характеристики:
Максимальная мощность
Активная зона
Диаметр
Высота
Материалы
100 Вт
4 типа размера
от 69,6 см до 84,9 см
117 см
Имеется полный набор конструкционных и ядерных материалов для
моделирования реакторов космических ЯЭУ нового поколения
Боковой отражатель
Бериллий толщиной от 80 до 120 мм
(12 органов СУЗ)
Регулирование
Поворотными цилиндрами в отражателе
37

38. Макетная физическая сборка ТРП

Возможности стенда:
● критические параметры реактора;
● выбор решетки реактора;
● определение эффективности
гидридциркониевого замедлителя;
● определение эффективности
органов регулирования;
● измерение свойств различных
материалов;
● проведение интегральных
спектральных измерений и оценка
температурного коэффициента
реактивности.
38

39.

Результаты наземных испытаний ЯЭУ ТОПАЗ в
испытательном комплексе ГНЦ РФ-ФЭИ
Номер установки
4С
5С
6С
7С (7СВ)
10С
11С
14С
1979
1982
1984
1970
1971
1972-73
19.06.1975
29.06.1976
- 1977 -
Ресурс, сутки
50
67
108
215
221
208
306
Тепловая мощность, кВт
170
180
180
150
150
150
150
Стартовая электрическая
мощность, кВт
6,6
5.1
8,2
8,8
8.8
7,2
7,2
Дата испытаний
39

40. Результаты летно-конструкторских испытаний КЯЭУ ТОПАЗ (1987-1988 гг.)

Космический аппарат
Высота орбиты
Лётный образец ЯЭУ
Материал эмиттеров ЭГК
Ресурс работы
Полезная электрическая мощность, кВт
начало испытаний
конец испытаний
Габариты, м
Масса ЯЭБ, кг
Причина прекращения испытаний
Первый образец
"Космос 1818"
Второй образец
"Космос 1867"
800 км
4Я 90-22Л
монокристалл молибдена
142 суток
4Я 90-23Л
монокристалл вольфрама
342 суток
5,6
4,8
4,8
5,6
3
1,3 (Dmax) 4,7 (L)
1100
плановое исчерпание запасов цезия
40

41.

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!